高効率微粒化促進ノズルの微粒化特性と

近畿大学工学部研究報告 No39，2005年，pp39る4

Research Reports of  the School of  Engineering，  Kinki University No39， 2005， pp39‑64 

高効率微粒化促進ノズルの微粒化特性と

直接噴射式ディーゼ、ル機関用噴射ノズルへの適用性

玉木伸茂¥清水正則合，度安博之士会

Atomization  C h a r a c t e r i s t i c s   o f   H i g h ‑ E f f i c i e n c y   A t o m i z a t i o n   Enhancement N o z z l e  and A p p l i c a t i o n  t o  I n j e c t i o n  N o z z l e  f o r  D i r e c t   I n j e c t i o n  D i e s e l  Engine 

Nobushige TAMAKI ，  Masanori SHIMIZU ，  Hiroyuki HIROYASU 

A b s t r a c t  

It has been clarified that the strong disturbance in the nozzle hole， due to cavitation phenomena， greatly  affected to atomization of a liquid jet.  Since a nozzle for a direct injection Diesel engines is  a pressure  atomized type， it  is difficult to obtain the excellent spray characteristics under low injection pressure.  If  the same excellent spray characteristics as ones ofthe high injection pressure was obtained at relatively low  injection pressure， it  is possible to miniaturize the injection system.  When cavitation occurs in the nozzle  hole， atomization of the liquid jet is  enhanced considerably.  Based on this concept， a new method for  enhancing atomization of the liquidjet at low injection pressure， which involves the use of a simple nozzle in  which a gap made at the nozzle hole， is proposed.  The effects of geometric shapes and measurements of the  atomization enhancement nozzle on atomization of the spray， the spray characteristics and application to an  injector with a needle were studied.  The results show that the excellent spray， which the spread of the  spray is large and the breakup length is short， was obtained at relatively low injection pressure.  Moreover，  when this  nozzle  was applied to  the  injector with the  needle， the  same  and the  fine  atomization  characteristics were obtained at low injection pressure. 

KeyWords:Aぬmizati.on，Fuel同回世on，Cavi回lti.on，Nozzle， Diesel Spray， A臼mizati.onα1母 国 七eristics，Low 刷 印 加n pre路町眠Ii中idJet，A臼miza世onEnhanωment

1 

.緒言

従来の直接噴射式ディーゼル機関に使用されてい る噴射ノズルは、噴射圧が100MPaを超えるような 高圧で燃料を噴射しなければ、燃焼に適した良好な 噴霧を得ることができない 1)、2)。このように、燃料 噴射圧の高圧化に伴い、燃料噴射装置が大型になり、

燃焼室の耐圧、材質といった設計上の問題も生じて 合近畿大学工学部機械工学科

付(有)ヒロ技術研究所

59 

くる。さらに、機関の小型化、燃費の改善、二酸化 炭素の排出量の低減といった、昨今の社会的な問題 に対処するために、従来よりも小さなエネルギー、

すなわち低い噴射圧で効率良く燃料を微粒化するこ とができる噴射ノズルの開発が望まれている。

そこで、液体噴流の微粒化の要因がノズル噴孔内

*Department of Mechanical Engineering，  School of Engineering， Kinki University 

**Hiro Technology Brains， Inc. 

60  近畿大学工学部研究報告 NQ39 

に発生するキャビテーションであるという知見 3)‑9)

に基づき、噴射ノズルの噴孔部のみを改良すること により、低い噴射圧で微粒化促進が可能なノズルを

開発した 10)‑13)。この微粒化促進ノズルの低圧噴射時

(LlPi=10 MPa)における噴霧特性は、実機の超高圧噴 射時(LlPi=200MPa)における単孔ホールノズルの噴 霧特性よりも改善された。

本研究では、さらに噴霧の微粒化促進を目指し、

ノズルの幾何学寸法が噴霧の微粒化に及ぼす影響を 調べ、最も良好な噴霧特性が得られるノズルの幾何 学寸法を決定した。また、これまでに開発した微粒 化促進ノズルを実機に適用することを目的として、

微粒化促進ノズルに針弁を設けたノズルを用いて実 機噴射ノズルへの適用性を調べた。

2 .

実験装置および方法

図1に実験装置の概略を示す。供試液体は、カス ケード式高粘度高圧噴射ポンプを用いて大気圧雰囲 気中に定常噴射した。ノズル噴孔内の流れと噴霧の 分裂挙動は、ストロボを用いて背景散乱光撮影した。

流量係数 Cdは、次式(1)から算出した。ここで、

Qは単位時間あたりの体積流量、 D (D2)は噴孔径、

ρは噴射液体の密度、LlPiは噴射差圧である。分裂 長さは、従来から用いている電気抵抗法叫により測

CJ 

^A

=  一一トモー _{4~ I~} ・ . . .

^H

・ . . . ・

^H

・ . . . . . . . ・

^H

・ . .

(1) 

a  7lf)2 

V  2 L 1 ξ 

定した。噴霧角は、デジタルカメラで散乱光撮影し た画像から直接測定した。

図2に供試ノズルの概略を示す。供試ノズルは、

b M V  

蜘 凶

a G  

l吋ectionNozzle 

s p w Z  

寸 ^c …;

^ω 

Screen Detector u 

Tank 

図

1

実験装置の概略

従来の直接噴射式ディーゼルノズルに用いられてい る単孔ホールノズル[図2(a)]、単孔ホールノズルの噴 孔の途中にすき間を設け、さらに噴孔上流部とすき 聞を結ぶ連絡孔(バイパス)を設けた微粒化促進ノ ズル[図2(b)、 (c)]]を用いた。また、開発した微粒化 促進ノズルの実機噴射ノズルへの適用性を調べるた めに、微粒化促進ノズルに針弁を設けたノズル[図

(a)単孔ホールノズル

(b)微粒化促進ノズル(拡大ノズル)

(c)微粒化促進ノズル(実機寸法ノズル〉

Nozzle Hole  (d)針弁を設けた微粒他促進ノズル

図2 供試ノズルの概略

高効率微粒化促進ノズルの微粒化特性と直接噴射式デイーゼル機関用噴射ノズルへの適用性 61 

2(d)]を用いた。すき間下部の噴孔径、すなわち噴孔 径は、拡大ノズルがD=φ3.0m m、実機に近い噴孔 径のノズルがD2=OO.3m mとした。

3.

実験結果および考察

3 . 1  

すき間直径の影響

図3にすき間直径Dgが流量係数に及ぼす影響を示 す。図 3より、噴射差圧 LlPiの変化に対する流量係 数の変化は、 Dgに依らずほぼ同じ傾向を示している。

また、任意の LlPiにおける流量係数は、

D

gに依らず ほとんど同じであり、ほぼ同じ流量が得られている。

図4に噴射差圧 LlPi=0.7、1.5 MPaにおいて、す き間直径

D

gが分裂長さと噴霧角に及ぼす影響を示 す。図4より LlPi=O. 7 MPaの場合、 Dgが大きくな るのに伴い、分裂長さは短くなり、噴霧角は大きく なる。Dgがφ18mmよりも大きくなると、分裂長さ はほぼ一定になり、噴霧角はやや小さくなる。これ に対し、LlPi=1.5MPaの場合、 Dg=φ18mmまでは LlPi=0.7 MPaの時と同じ傾向を示しているが、 Dg がφ18mmよりも大きくなると、分裂長さは長くな

り、噴霧角はやや小さくなる。 Dg=φ18mmの時、

1.0 

d 

芭 0.8

Q)  '(3 

3 0 6  

各

0.4

2 

伺 ^{0 2 トAt旬刷蜘o町om凶 ion En巾1汁巾ha剖ncemen川 州tNozz} 

口

。 I

^{￨ L}L^g₁⁼=L^3.2^0mm=3.βOmm^， Pa， =0D=φ3.0 mm.1 MPa  ， Du=φ30mm  0.01  0.1  3 

Di仔'erential Pr白sureof  I吋ection 8. Pj  MPa 

図3 すき間直径が流量係数に及ぼす影響

180  E E  ..J 160 

￡  E140  ー

』

Atomization Enhancement Nozzle  L₁=L2=3.0 m m， D=φ3.0mm  Du=φ30 m m， Lg=3.0 mm 

Pa=0.1 MPa ・，企:8. Pj=1.5 MPa 

I 

C[) 

G ，8: 8.Pj=O.7 MPa 130 Q) 

25z 

〉、

E  Lb 

i

²⁰ 

f I i  

...115  40  活号120

ω 

白

。

100; 

10  20  30  Gap Diameter  Dg mm 

図 4 すき間直径が分裂長さと噴.:角に及ぼす影響

LlPiに依らず分裂長さが最も短く、噴霧角は最も大 きくなっており、噴孔径 D=φ3.0m mに対し、 Dg を最適な大きさ (Dg=φ18mm)にすると、良好な 微粒化特性が得られることがわかる。

3 . 2  

すき間長さの影響

図5にすき間長さLgが分裂長さと噴霧角に及ぼす 影響を示す。図5より Lgが比較的短い場合(Lg=1.0、 3.0 mm)、分裂長さは短く、噴霧角は大きくなって いる。 Lgが最も短い場合 (Lg=1.0mm)、L1Pi=1.5 MPaの時の分裂長さは最も短くなり、噴霧角は最も 大きくなっている。しかし、L1Pi=0.7MPaの時、 A Pi=1.5 MPaと比較して分裂長さは長くなり、噴霧角 は小さくなっている。 Lg=3.0m mの場合、L1Piに依 らず、分裂長さは短く、ほぼ同じ長さであり、噴霧 角は大きく、ほぼ同じ大きさであり、良好な噴霧が 得られていることがわかる。これに対して、

L

gが長 い場合 (Lg=9.0mm)、Lgが短い場合と比較して、分 裂長さは長く、噴霧角は小さくなっており、微粒化 状態が悪くなっていることがわかる。この結果から、

Lgが比較的短い場合 (D=φ3.0mmに対し、 Lg=3.0 mm)、L1Piに依らず、良好な微粒化特性が得られる

ことがわかる。

このように、すき間長さ

L

gの違いにより、噴霧の 微粒化状態が異なる原因として以下のことが考えら れる。図6に噴射差圧 L1Pi=1.5MPaにおいて、すき 間長さ Lgを変化させた時のノズル噴孔内の流れと噴 霧の分裂挙動を示す。噴孔内は背景散乱光により撮 影しているため、キャピテーションが発生している 領域と噴孔内壁面は黒く写っている。

図6より、 Lgに依らず、すき間下部の噴孔内にキ ヤビテーションが発生している。 Lgが比較的短い場 合 (Lg=1.0、3.0mm)、すき間上部と下部の噴孔内 にキャピテーションが発生しており、

L

gが長い場合

40  180 

I Atomization Enhancement Nozzle 

e 

I 

L₁=L2=3.0 mm， D=φ3.0 m m， Du=φ30mm 

三 1ω~Dg=φ18m m， P_a=0.1 MPa 

...J  G， A. : 8. Pj=0.7 MPa 

・

，A :8.Pj=1.5 MPa 

40 

‑ m o

万民u

q u 

‑ 0 ω

℃ お

C[) 

30  ω  Lb 

I

雪

25 <.J... 

〉、 何

8 ‑120

身

115  12 

3  6 

Gap Length 

図5 すき間長さが分裂長さと噴第角に及ぼす影響

62  近畿大学工学部研究報告 No39 

φ1.0 

50 

100 

150 ml1可

Lg mm  1.0  3.0  9.0 

Atomization Enhancement Nozzle， L1=L2=3.0 m m， 0=φ3.0mm，  Ou=φ30 m m， Og=φ18mm，βPI=1.5 MPa， P.=0.1 MPa 

図6 ノズル噴孔内の流れと噴鍵の分裂挙動

(Lg=9.0 mm)と比較して噴霧の広がりが大きく、

微粒化している。一方、

L

gが長い場合、すき間下部 の噴孔内にキャビテーションが発生しているが、す き間上部の噴孔内にキャビテーションは発生してお らず、噴霧の広がりは小さくなっている。

さらに、すき間上部の噴孔内で発生したキャビテ ーションにより乱された液流が、すき間内に流入す ることも考えられ、 Lgが短い場合、 Lgが長い場合と 比較してこの影響が大きくなり、噴霧の微粒化促進 に影響することが考えられる。これに対して、 Lgが 長い場合、すき間入口付近では、 Lgが短いノズルと 同様にこの液流の影響が大きいものと思われるが、

すき間出口付近では、かく乱が減衰し、この液流の 影響がほとんどないものと考えられる。

以上のことから、 Lgが短い場合、すき間下部の噴 孔内で発生するキャビテーションによる液流のかく 乱と、すき間上部の噴孔からすき間内に流入する液 流のかく乱により微粒化が促進されるものと考えら れる。これに対し、 Lgが長い場合、すき間下部の噴 孔内で発生するキャビテーションによる液流のかく 乱のみであるため、 Lgの長短による影響が顕著に表 れたものと考えられる。

3.3  ノズルの幾何学形状の影'

図7にノズルの幾何学形状が噴霧の微粒化に及ぼ す影響を示す。すき間下部の噴孔径D2は、実機ディ ーゼルノズルの噴孔径に相当する D2=OO.3m mで ある。図 7より、微粒化促進ノズルの噴霧の広がり は、従来の単孔ホールノズルよりも大きく、微粒化

しており、良好な噴霧が得られている。

図8にノズルの幾何学形状が分裂長さに及ぼす影 響を示し、図9に噴霧角に及ぼす影響を示す。図8、 図9より、ノズルの幾何学形状に依らず、噴射差圧 LJPiの増加に伴い、分裂長さは短くなっていき、噴 霧角は大きくなっていく。微粒化促進ノズルの場合、

分裂長さは比較的小さな噴射差圧域において短くな っており、最高噴射差圧LJPimax二20MPaにおける分 裂長さとほぼ同じである。また、全噴射差圧域にお いて、微粒化促進ノズルの分裂長さは単孔ホールノ ズルよりも短くなっており、噴霧角は大きくなって いる。

以上の結果から、この微粒化促進ノズルは従来の 単孔ホールノズルと比較して、噴霧の微粒化と微粒 化特性が大幅に改善されることが明らかになった。

Bypass 

円.0 HF

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一口Y4AV‑

‑ 一 一 一 一

﹁￨ し

D一円.︒H﹂

。

mm 

50 

Nozzle 

L1=0.3 m m， 01=φ0.3 m m， Lg=0.3 m m， Og=φ1.0 m m，  L2=0.3 m m， 02=φ0.3 m m， L=0.3 m m， 0=φ0.3 m m， 

ムPi=20MPa， Pa=0.1 MPa， Ta=300 K 

図 7 ノズルの織何学形状が噴.の微粒他に及ぼす 影響

高効率微粒化促進ノズルの微粒化特性と直接噴射式デイーゼル機関用噴射ノズルへの適用性

100 

E  E 80 

....0 1 

L1=0.3 m m， 01=φ0.3mm  Lg=0.3 m m， Og=φ1.0mm  L2=0.3 m m， O2=φ0.3mm  L=0.3 m m， 0=φ0.3mm  Pa=0.1 MPa 

急

60 c 

。

...1  Q. 40 

占コt

s 

伺 ²⁰ 

e o 

MH

ea1 e   

95 

・

m α

cuM川

01  10  100 

Oi行'erential Pressure  of Injection  /). Pi MPa 

図8 ノズルの鶏何学形状が分裂長さに及ぼす彫・

50 

g> 40 

て3

L1=0.3 m m， 01=φ0.3mm 

qコ

。

30 

0) 

ミ

20

〉、nl 

. . .   c %  

10 

01  100 

Oifferential  Pressure  of  I吋ection /). Pi MPa 

図9 ノズルの織何学形状が噴.角に及ぼす影響

3.4  針弁を設けたノズルの微粒化特性

図 10に針弁の有無がノズル噴孔内の流れと噴霧 の微粒化に及ぼす影響を示す。針弁リフト量 h=5

m m、噴射差圧LlPi=1.5 M P aの場合である。図 10

より、針弁の有無に依らず、すき間上部とすき間下 部の噴孔内にキャビテーションが発生し、噴霧の広 がりが大きく、噴霧は微粒化している。また、ノズ ル噴孔内の流れ、噴霧の広がりおよび噴霧の分裂挙 動は、針弁の有無による大きな違いは見られない。

図11に針弁の有無が分裂長さと噴霧角に及ぼす影 響を示す。図11より、LlPiに対する分裂長さと噴霧 角の変化は、針弁の有無に依らず、ほとんど同じ傾 向を示している。LlPiが0.5M P aを超えると、分裂 長さは短い状態で推移し、噴霧角は大きい状態で推 移し、最高噴射差圧LlPi=1.5 M P aの時の分裂長さ、

噴霧角とほぼ同じ値になっている。

図12に針弁リフト量hが分裂長さと噴霧角に及ぼ す影響を示す。図12よりhが小さい場合(h=lm m、

h=2 mm)、hが大きい場合 (h=10mm)と比較して 分裂長さは長く、噴霧角は小さくなっており、微粒 化状態は悪くなっている。しかし、 hが増加してい くと、分裂長さは短くなり、噴霧角は大きくなる。

63 

O 

50 

100 

令、、ラ'ハ 150 ^{m m}

\;、\í/~:し"";，~司刊ロ ，争ミ e 軸同/i;九;もぷ:;l~.:~，'，・7ギ':i\i With Needle (h=5.0 mm)  Without Needle  w1めNeedle (h=5.0 mm)  Atomization Enhancement Nozzle， Ll=L2=3.0 mm， 0=φ3.0mm，  Ou=φ10 mm， Og=φ18 mm， Lg=3.0 mm，ムP，=1.5MPa， P.=0.1 MPa 

図10 針弁の有無がノズル噴孔内の流れと噴鍵の 微粒化に及ぼす影'

800  40 

302 

20 ~主^E  10~ ^何〉、

3  Atomization Enhancement Nozzle 

I L1=L2=3.0 mm， 0=φ3.0mm 

E 

<>"" 

I 

~u~φ10 mm. 00=φ18mm  600卜し=3.0mm. P.=b.1 MPa 

~ I-~

10.ム:Without Needle 

警 ￨ ・.企:W附Needle(h=5 mm)  ω400・

ー』

c. 

」3  祖E

~ 200 

国

o 0.01  0.1 

Oi仔erential Pressure of Injeclion  l:l Pj MPa 

図11 針弁の有無が分裂長さと噴露角に及ぼす影響

h=5 m mを越えると、分裂長さと噴霧角はほとんど 変化しなくなり、LlPiに依らず、同じ傾向を示して いる。

以上の結果より、針弁の有無による噴霧の微粒化 状態の違いは、ほとんど見られず、針弁を設けても 比較的小さな噴射差圧において良好な微粒化特性が 得られることがわかった。

4.結言

(1)微粒化促進ノズルの噴孔部に設けたすき間直径 D_gとすき間長さ Lgを最適な寸法にすると (D=

64  近畿大学工学部研究報告 No39 

40  (6)玉木伸茂・西国恵哉・清水正則・魔安博之，ノ Atomi羽市ionEnhanωment Nozzle (With Needle) 

L1=L2=3.0 mm， D=φ3.0mm 

Du=φ10 mm， Da=φ18 mm， La=3.0 mm  Pa=0.1 MPa 

企 . 4^V 企

kfJh7 

‑ m ω

℃ n

U 

︒ ︒

︒ 一

回

C︿ n u 

内4

10  [ 

e

^，企:~Pi=1.5 MPa  0，8.: ~Pi=O.7 MPa  OL 

o 

2 4 6 8 T O  

J 

Needle Lift  h mm 

図12 針弁リフト量が分裂長さと噴.角に及ぼす 影 響

O3.0 m mに対して、 Dg=φ18m m、Lg=3.0 mm)、噴射差圧L1Piに依らず、最も分裂長さが 短く、噴霧角が大きな噴霧が得られる。

(2)開発した微粒化促進ノズルは、従来の単孔ホー ルノズルと比較して、噴霧の微粒化と微粒化特 性が大幅に改善される。

(3)微粒化促進ノズルに針弁を設けた場合でも噴霧 の微粒化促進が可能であり、実機への適用が可 能である。

参考文献

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φ

'ray砂^‑stems，ICLASS  2000， U S. A.， CD‑R， 2000. 

(12)玉木伸茂・清水正則・農安博之，低圧噴射に よる液体噴流の微粒化促進，機論B，67・664， pp. 3147^・3152

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φ

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謝辞

本研究は、旧文部省科学研究費補助金奨励研究(必 (課題番号11750174)の補助を受けて行った。ここ に記して謝意を表す。